構建物聯(lián)網(wǎng)的多種不同實現(xiàn)方式

無線技術特別適用于樓宇自動化，無需復雜且昂貴的布線即可快速輕松地增加智能。這對設計人員通過技術選擇可獲得的功率預算產(chǎn)生了影響，并允許設計人員最大限度地延長無線節(jié)點的電池壽命并最大限度地降低自動化大型建筑物的成本。

通過優(yōu)化供暖和空調(diào)以最大程度地減少電力使用，為建筑物增加自動化可以將運行成本降低多達 30%。這需要連接在一起的無線傳感器網(wǎng)絡，通常使用集線器控制網(wǎng)絡。過去，這個集線器一直是建筑物的專有控制器，但現(xiàn)在有了物聯(lián)網(wǎng) (IoT)，這個集線器是通向更大事物的門戶。這開啟了物聯(lián)網(wǎng) (BIoT) 的建設，其中無線節(jié)點將數(shù)據(jù)饋送到云中，以進行高級分析和更好的控制。

市場研究公司 Memoori 將 BIoT 視為傳感器上 IP 網(wǎng)絡的覆蓋，連接所有樓宇服務，同時監(jiān)控、分析和控制，無需人工干預。從建筑物周圍的服務和設備收集數(shù)據(jù)可以更詳細地了解每座建筑物的運行情況，使運營商能夠在云中收集、存儲和分析數(shù)據(jù)，以便他們可以使用它來提高運營效率。Memoori 估計，建筑系統(tǒng)的整體市場將從 2014 年的 1109 億美元增長到 2020 年的 1811 億美元，其中三個最大的細分市場是物理安全、照明控制和火災探測。在此范圍內(nèi)，該公司認為大樓內(nèi)支持互聯(lián)網(wǎng)的設備的全球市場將從 22 美元上漲。

圖 ：構建物聯(lián)網(wǎng)有多種不同的實現(xiàn)方式，無線連接是一項必不可少的能力。資料來源：Memoori。

這種增長大部分來自于這樣一個事實，即目前建筑系統(tǒng)內(nèi)的連接性僅為 16%，到 ??2025 年將增長到 50%。這種增長取決于設計人員可用技術的實施，并且有一系列低端和高標準出現(xiàn)。例如，B-control 是 B-control Alliance 的一個新的高級標準。這是由兩家德國公司 TQ-Group 和 nxtControl 以及 Vestamatic 和 U::Lux 推動的。該聯(lián)盟是制造商之間的合作，通過在“預集成”應用程序中同步他們的單元來提供他們在建筑技術中的組件。

另一個組織EnOcean聯(lián)盟有 350 家公司使用 315 MHz 未授權頻段以及歐洲的 868 MHz 和美國的 902 MHz 頻段，重點是使用太陽能電池等環(huán)境能源為無線節(jié)點供電，熱機或來自開關的動能。這使用由 EnOcean 開發(fā)的協(xié)議，現(xiàn)在是國際電工委員會 (IEC) 的 ISO/IEC 14543-3-10 標準的一部分。這使設計人員能夠開發(fā)易于互操作的設備，并且可以使用能量收集作為無線節(jié)點的電源。這允許諸如STM300之類的模塊從 enOcean 可以輕松添加到設計中，但也使開發(fā)人員也可以使用自己的實現(xiàn)。一些聯(lián)盟合作伙伴現(xiàn)在正在開發(fā)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關，以允許這些節(jié)點有效地連接到 Building IoT 基礎設施。

然而，隨著 Internet 連接的出現(xiàn)，現(xiàn)在有更廣泛的用于樓宇自動化的底層協(xié)議。其中許多基于 IEEE802.15.4 標準，ZigBee、6LoPAN 和 Thread 協(xié)議都使用這種方法。然而，也越來越多地使用藍牙和 IEEE802.11 Wi-Fi 來提供這種連接。

Freescale Semiconductor的MKW2x等設備解決了包括樓宇自動化在內(nèi)的許多物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控應用。它們可以在 1 GHz 以下和 2.4 GHz 未授權頻段運行，并實現(xiàn) 802.15.4、ZigBee 和 Thread 協(xié)議棧。MKW2x 是一款低功耗、緊湊型集成設備，由一個符合 2.4 GHz IEEE802.15.4 標準的無線電收發(fā)器與一個具有連接性和精密混合信號模擬外設的 ARM Cortex-M4 微控制器組成。

這些設備用于輕松實現(xiàn)基于 ZigBee Pro 網(wǎng)絡堆棧和樓宇自動化應用配置文件的連接，以及 ZigBee IP 網(wǎng)絡堆棧和智能能源 2.0 應用配置文件，允許在節(jié)點之間輕松傳輸數(shù)據(jù)。

該微控制器允許實施不同的協(xié)議，其中高達 512 KB 的閃存用于程序存儲和 64 KB 的 SRAM 用于代碼執(zhí)行。但是，它還包括一個 16 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器以簡化節(jié)點的設計，以及一個加密加速模塊以提供數(shù)據(jù)安全性。MKW2x 的無線電收發(fā)器具有高達 -102 dBm 的接收靈敏度、+8 dBm 的最大發(fā)射輸出功率和高達 58 dBm 的通道抑制，在 0 dBm 輸出功率下的發(fā)射電流消耗為 17 mA，峰值接收電流為低功耗前導搜索模式下為 15 mA。

尺寸對于構建控制也很重要，因為無線節(jié)點必須適合小型設備。MKW2x 采用 8 x 8 mm LGA 封裝，總共有 63 個觸點，工作電壓在 1.8 V 和 3.6 V 之間。

這些并不是用于樓宇自動化系統(tǒng)的唯一頻段。例如， Decawave為其超寬帶DW1000 ScenSor （Seek Control Execute Network Sense Obey Respond）單芯片收發(fā)器使用了從 3.6 GHz 到 6.5 GHz 的六個頻段，該收發(fā)器也能夠運行 802.15.4 協(xié)議。由于收發(fā)器中的相干接收器技術，這允許高達 6.8 Mb/s 的高數(shù)據(jù)速率和高達 300 m 的范圍。超寬帶方法也不受多徑衰落的影響，這在構建有大量反射的環(huán)境中可能是一個問題。低功耗設計具有 -14 dBm 的發(fā)射功率和 31 mA 的發(fā)射電流，可實現(xiàn)較長的電池壽命和適合無線節(jié)點的 6 x 6 mm 小型封裝尺寸。

圖 ：Decawave 的 DW1000 超寬帶收發(fā)器使用 3.5 GHz 至 6.5 GHz 的頻帶用于低功率鏈路，可抵抗建筑物反射造成的多徑衰落。

使用模塊可以是為樓宇自動化系統(tǒng)的傳感器或控制節(jié)點添加無線功能的有效方式。愛特梅爾的 ATZB-S1-256-3-0-C ZigBit模塊將無線收發(fā)器與 8 位微控制器相結(jié)合，以處理從 250 kb/s 到高達 2 Mb/s 的傳感器數(shù)據(jù)，以及幀處理、接收器靈敏度和高發(fā)射輸出功率，以實現(xiàn)強大的自我修復網(wǎng)狀網(wǎng)絡. 通過將芯片天線與無線節(jié)點的硬件和軟件相結(jié)合，開發(fā)人員可以專注于傳感器與系統(tǒng)其余部分的集成。使用 802.4.15 網(wǎng)狀網(wǎng)絡協(xié)議可以輕松地將其他節(jié)點添加到網(wǎng)絡中，因為節(jié)點通過最近的鄰居進行通信。這為樓宇自動化設計提供了可擴展且穩(wěn)健的拓撲。然后可以將數(shù)據(jù)反饋到連接到 Internet 的網(wǎng)關以進行控制和分析。?

緊湊型模塊的尺寸為 30.0 × 20.0 mm，接收靈敏度為 -97 dBm，輸出功率為 +3.6 dBm，鏈路預算高達 100.6 dB。這可以用來擴展鏈路的范圍，以便使用更少的節(jié)點，或者通過讓它們更靠近來降低每個節(jié)點的功率。這可能需要一些復雜的網(wǎng)絡拓撲分析來獲得通過建筑物的節(jié)點的正確平衡，但是使用 BIoT 可以分析來自節(jié)點的數(shù)據(jù)以確定每個節(jié)點的最佳位置。然后，隨著時間的推移，隨著新節(jié)點的添加，網(wǎng)絡可以得到改進，以提供來自傳感器和控制單元的數(shù)據(jù)的適當平衡，所有這些都以無線方式連接。?

使用該模塊的設計人員的一個關鍵優(yōu)勢是有多達 31 條可配置的通用 IO 線，因此可以引入傳感器數(shù)據(jù)并將控制數(shù)據(jù)傳送到執(zhí)行器，例如門鎖或開窗器。為了進一步簡化節(jié)點的設計，每個模塊都有一個預分配的 MAC 地址，可以在最終產(chǎn)品上使用，并且可以存儲在內(nèi)部 EEPROM 中。這可以極大地簡化樓宇運營商對終端設備的配置。

結(jié)論?

將更廣泛的互聯(lián)網(wǎng)功能添加到樓宇自動化設備中是開發(fā)人員為樓宇運營商節(jié)省大量成本的巨大機會。提供連接到傳感器和執(zhí)行器的無線節(jié)點，再加上在互聯(lián)網(wǎng)上分析的數(shù)據(jù)以及從任何設備控制這些節(jié)點的能力，極大地提高了此類系統(tǒng)的功能。這可以從 315 MHz 頻帶一直到 6.5 GHz 提供，并針對不同的解決方案進行不同的工程和設計權衡。但是，所有這些都需要由盡可能低的電流供電，以保持盡可能長的電池壽命。?